Ich hab's genau gesehen

Aus Maschinensicht ist der Mensch ein Wunder: Mühelos zeichnet er freihändig einen Strich aufs Papier. Er hält ein Ei in der Hand, ohne es zu zerdrücken, und schält es. Lässig spitzt er Stöcke an, auf denen er Marshmallows so übers Feuer hält, dass sie nicht verkohlen.

Das alles ist nur möglich, weil der Mensch über Sensoren verfügt, die per Realtime-Feedback seine Bewegungen überwachen und korrigieren: seine Sinne. Wäre es nicht schön, wenn auch die Maschinen Sinne hätten?

Dann könnten wir endlich aufhören, mühsam jeden ihrer Koordinatenwege zu programmieren, Abläufe zu teachen, misstrauisch Schweißnähte zu zersägen und zu kontrollieren. Wir könnten darauf bauen, dass unsere Maschinen ihre Sache schon gut machen. Ja, das wäre schön. Ist schön.

Denn auch unsere Maschinen werden langsam zu Sinnenträgern. Als das Lasermarkieren aufkam, brauchte der Maschinenbediener eine ultragenaue Spannvorrichtung, um exakt zu markieren. Denn woher sollte der Markierlaser auch wissen, wo der Knopf liegt? Er zielte ja nur blind auf eine Kreuzung zweier Koordinaten und traf, was immer dort herumlag.

Heute hat der Markierlaser ein Kameraauge, erkennt, was vor ihm liegt, und richtet seine Optik so aus, dass die Markierung exakt passt. Das verändert jetzt schon die Art, wie wir produzieren. Und es geht weiter.

Grundsätzlich gibt es zwei Arten von Sensoren. Zum einen Überwachungssensoren, die nicht in den laufenden Prozess eingreifen. Ihre Hauptaufgabe ist es, Werte zu liefern für die Qualitätssicherstellung und die Dokumentation. Im Trend liegen Sensoren, die darüber wachen, dass bestimmte Grenzwerte eingehalten werden. Werden die definierten Grenzwerte überschritten, gibt die Maschine Alarm und ein Produktionsleiter kann sofort schauen, wo das Problem liegt.

Zum anderen Regelsensoren: Sie messen einen Wert und greifen in den laufenden Prozess ein. So ändern sie beispielsweise je nach gemessenem Parameter die Laserleistung und korrigieren die Vorschubgeschwindigkeit oder die Fokuslage. Regelsensoren sind komplexer als Überwachungssensoren.

Vor allem Maschinen zur Lasermaterialbearbeitung lassen sich einfach mit Sensoren ausstatten. Die Optik ist ein hervorragender Ort für Sensoren. Von dort aus schauen sie direkt in den Prozess und verfügen über eine einfache Anbindung an das Trägersystem. Da der körperlose Laserstrahl ohnehin nur digital steuerbar ist, lässt er sich besonders leicht in einen um Sensoren ergänzten Regelkreis einbinden.

Waren Prozesssensoren bis vor wenigen Jahren noch die Ausnahme, gelten sie heute in vielen Branchen als selbstverständlich, zum Beispiel in der Medizintechnik und im Automobilbau. Die Gründe dafür sind einfach zu verstehen: Sensoren bringen Geld, denn sie sorgen für kürzere Taktzeiten, bessere Qualität, lückenlose Qualitätsüberwachung, weniger Ausschuss und Rückverfolgbarkeit im Feld.

Beim sensorgestützten Remoteschweißen von Karosserieteilen ist die Taktzahl mehr als doppelt so hoch wie beim Schweißen mit Fülldraht. Kameras erkennen beim Schweißen oder Markieren die Lage des Bauteils.

Damit sinken die Genauigkeitsanforderungen an die Halterung und deren Konstruktion wird einfacher und günstiger. Bei Schweißprozessen dokumentieren Überwachungssensoren die Qualität zuverlässig und lückenlos auf der gesamten Nahtlänge und für jedes einzelne Teil. Das ist sicherer als zerstörende Stichprobenprüfungen im Feld. Diese lassen sich somit deutlich
reduzieren oder können auch gleich ganz ausfallen.

Überwachungssensoren liefern Instantmeldungen über jede Fehlschweißung. Die Produktionsmitarbeiter können sich schon beim ersten Schlechtteil um das Problem kümmern, statt am Ende der Schicht festzustellen, dass sie Hunderte Teile wegschmeißen müssen. Regelsensoren arbeiten hart daran, den Ausschuss auf null zu drücken, denn sie können sofort korrigierend eingreifen, wenn etwas schiefläuft.

Die Nachfrage nach immer kleineren, präziseren Bauteilen unterstützt den Trend zur Vieläugigkeit: Je komplexer das Bauteil und je höher die Qualitätsanforderung zum Beispiel an eine Schweißung, desto notwendiger werden Sensoren, die den Prozess exakt überwachen und steuern können.

Das Argument funktioniert auch umgedreht: Erst durch die Kraft der Sensoren werden andere Bauteilgeometrien möglich. Beim Remoteschweißen von Karosserieteilen etwa konnten die Flansche erst schrumpfen, als eine Nahtlageregelung zuverlässig die korrekte Lage der Kehlnähte fand. Die Autohersteller sparen seither Material und Gewicht und sind schneller als vorher.

Die kleinen Maschinenaugen ändern langsam, aber sicher das Aussehen und die Funktionsweise gesamter Produktionsanlagen. Bisher agierten Maschinen blind. Die Konstrukteure mussten sie jeden Millimeter führen und alles vorausberechnen: Geschwindigkeit, Position des Bauteils, Umriss.

Mit steigenden Anforderungen an die Präzision von Bauteil und Bearbeitung wuchs der Aufwand für die Halterung und Positionierung teilweise ins Absurde. Und um geforderte Toleranzen im Mikrometerbereich zu halten, verstärkten sich die Maschinenrahmen, wurden wuchtiger, komplexer und schwerer.

Sobald die Maschine aber befähigt wird, Kontakt zu ihrer Umwelt aufzunehmen, kann sie auf das Bauteil reagieren.

Die Rahmen dürfen sich auf das Nötigste reduzieren,
werden schlank und klein. Positionierungsvorrichtungen machen sich locker. Die neue Toleranz herrscht während des Prozesses, das Ergebnis ist so exakt wie vorher auch. Etwa beim Laserschweißen: Legt man dem Laser einfach ein Teil irgendwie in die Kabine, kommt er schon zurecht.

Im Zeichen von Industrie 4.0 haben Werksleiter die Wichtigkeit von Daten längst erkannt. Und sie wollen immer mehr davon. Zuverlässige Datenlieferanten sind natürlich wieder solche Sensoren, die den Produktionsprozess im Blick haben.

Zwar sind vor allem kleine und mittelständische Firmen derzeit noch ein bisschen überfragt, was sie mit all den Daten eigentlich anstellen sollen. Doch die ersten Anbieter machen sich schon daran, clevere Auswertungsdienste für Prozessdaten zu entwickeln.

Das große Ziel ist, mithilfe von Big-Data-Methoden sich anbahnende Probleme im Herstellungsprozess vorauszusehen oder einen Algorithmus zu entwickeln, der mit genügend Datenfutter selbstständig Prozessverbesserungen vorschlägt oder gleich selber durchführen lässt.

Gestern kam Condition Monitoring für einzelne Maschinen, morgen kommt die Zustandsüberwachung fürs ganze Werk und übermorgen die sensorbasierte Produktionsregelung.

Derweil arbeiten Experten an neuen Sensoren und Sensorkombinationen. Zurzeit versprechen sie sich einiges von interferometrischen Sensoren — den Hype-Sensoren der Saison. Sie nutzen die Interferenz von Lichtwellen, um ganz unterschiedliche Größen zu messen, von der Einschweißtiefe bis hin zur Detektion der zu verschweißenden Naht. Als Kameraersatz zur Positionserkennung ist das Interferometer zurzeit zwar noch teuer, doch die Preise sinken und es ist nur eine Frage der Zeit, bis die Gerätschaften kleiner und günstiger werden.

Denn der Vorteil liegt auf der Hand: Per Interferometrie entstehen dreidimensionale Bilder. Besonders interessant wird das, wenn man Volumina messen möchte, zum Beispiel beim Laserabtragen oder Laserauftragschweißen.

Der Traum der autonomen Produktion rückt näher. Besonders die kleineren Betriebe wünschen sich schon lange vereinfachte Produktionsabläufe: Der Bediener legt irgendein Bauteil in irgendeiner Position in die Maschine ein. Diese erkennt dank hinterlegter CAD-Zeichnung sofort, worum es sich handelt und was man von ihr will, und führt die nötigen Schweißungen aus. Der Nutzer muss im Prinzip nichts mehr machen.

Wie beim autonomen Fahren sind wir davon zwar noch eine ganze Ecke weg, aber die Richtung stimmt: Es wird immer entspannter. Eine Sensorleistung, auf die man zum Beispiel sicher nicht mehr lange wird warten müssen, ist die Materialerkennung. Das wird insbesondere das Lasermarkieren auch noch einmal deutlich vereinfachen. Es brechen bequeme Zeiten an.